자유팽창

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자유팽창(自由膨脹, free expansion)은 단열된 진공 공간으로 저절로 팽창하는 비가역과정이다. 줄 팽창이라고도 한다.

실제 기체는 자유팽창을 하는 도중에도 온도 변화가 생긴다. 이상기체에서는 온도가 변하지 않는다고 가정하며, 단열자유팽창은

를 만족한다. 이때 는 압력, 는 부피이고 는 각각 이전과 이후를 나타낸다. 즉 기체가 팽창해서 부피가 늘어나면() 압력은 감소한다().

자유팽창을 하는 기체는 일을 하지 않는다. 기체는 최종 상태가 될 때까지 열역학적 평형이 아닌 상태를 거치며, 이 상태에서는 기체의 열역학적 변수를 모두 결정할 수 없다. 예컨대 기체의 압력은 점에서 점마다 국소적으로 변하기 때문에 입자의 총체로서의 기체의 부피는 쉽게 정의할 수 있는 양이 아니다.

코크를 열어서 기체가 진공으로 퍼져나가는 것이 자유팽창의 대표적인 사례이다. 계 안으로 들어오거나 나가는 열에너지가 없으므로, 이루어진 일은 없다. 엔트로피 변화는 있지만 잘 알려진 엔트로피 변화공식

은 적용되지 않는다. 이는 자유팽창이 가역과정이 아니기 때문이다. 이상기체의 경우 자유팽창의 엔트로피는 줄-톰슨 효과와 같이 구한다.[1]

각주[편집]

  1. Tipler, P., and Mosca, G. Physics for Scientists and Engineers (with modern physics), 6th edition, 2008. pages 602 and 647